DE102008048135A1

DE102008048135A1 - Turbolader

Info

Publication number: DE102008048135A1
Application number: DE200810048135
Authority: DE
Inventors: Michal Klusáček; Martin Dr. Schlegl
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2008-09-20
Filing date: 2008-09-20
Publication date: 2010-03-25

Abstract

Der erfindungsgemäße Abgasturbolader ist gekennzeichnet durch eine besondere Rotorgeometrie, derart, dass vom Rotor erregte Schwingungen in einem unterkritischen Frequenzbereich liegen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbolader mit einem ein Verdichterrad, ein Turbinenrad sowie einen zwischen Verdichterrad und Turbinenrad erstreckten Wellenkörper umfassenden Rotor, welcher beim Betrieb des Turboladers mit Drehzahlen innerhalb eines vorgegebenen Arbeitsbereiches rotiert.
Viele Serienfahrzeuge besitzen Verbrennungsmotoren mit Abgasturboladern. Dadurch kann einerseits die Leistung des Motors und andererseits dessen Drehmoment erhöht werden. Außerdem lässt sich ein erhöhter thermischer Wirkungsgrad der Motoren erzielen. Deshalb ist in der Zukunft damit zu rechnen, dass die Verbrennungsmotoren zukünftiger Fahrzeuge einerseits vergleichsweise kleine Hubräume aufweisen und andererseits mit Abgasturboladern kombiniert werden, um die wünschenswerten Fahrleistungen des Fahrzeuges gewährleisten zu können.
Aufgrund unvermeidlicher Fertigungstoleranzen lässt sich bei den Rotoren der Turbolader keine exakt rotationssymmetrische Massenverteilung erzielen. Dementsprechend muss bereits aufgrund nicht rotationssymmetrischer Massenverteilung mit Vibrationsschwingungen des Abgasturboladers gerechnet werden. Derartige Vibrationsschwingungen sind besonders kritisch, wenn Resonanzfrequenzen angeregt werden.
Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, einen Abgasturbolader zu schaffen, bei dem Resonanzen bis zur Festigkeitsgrenze des Rotors nicht problematisch werden.
Diese Aufgabe wird bei einem Turbolader der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß gelöst durch eine Rotorgeometrie, bei der der Arbeitsbereich der Rotordrehzahlen in einem unterkritischen Bereich liegt bzw. kritische Drehzahlen oberhalb und außerhalb des Arbeitsbereiches liegen.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Abgasturbolader und insbesondere dessen Rotor so zu konzipieren, dass die Eigenfrequenz der beim Laderbetrieb möglichen Schwingungen deutlich oberhalb der Schwingungsfrequenzen liegt, die innerhalb eines vorgegebenen Arbeitsbereiches der Rotordrehzahlen angeregt werden können. Die Erfindung strebt also einen sogenannten unterkritischen Betrieb des Abgasturboladers an.
Dabei wird berücksichtigt, dass der Rotor eine typische Schwingungsquelle beim Betrieb des Turboladers bzw. Abgasturboladers ist.
Hier wird nun erfindungsgemäß eine Rotorfiguration angestrebt, die sich durch besondere Schwingungsarmut und/oder Steifigkeit auszeichnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verdichterrad und das Turbinenrad axial eng benachbart zueinander angeordnet sind.
Des weiteren hat sich als zweckmäßig und vorteilhaft herausgestellt, wenn der Wellenkörper einen minimalen Durchmesser hat, der im Vergleich zum Durchmesser des Verdichter- oder Turbinenrades zwar geringer jedoch von gleicher Größenordnung ist. Zu beachten ist, dass dieser Wellendurchmesser gleichzeitig der minimale Fügedurchmesser auf Turbinen- oder Verdichterseite ist.
Bei einer solchen Geometrie kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mit vergleichsweise geringem konstruktivem Aufwand erreicht werden, dass der Außenumfang des Wellenkörpers mit einem stationären Innenumfang im Gehäuse des Abgasturboladers ein Gas- bzw. Luftlager bildet. Aufgrund des großen Durchmessers des Wellenkörpers kann dieses Gas- bzw. Luftlager ohne Weiteres hohe radiale Abstützkräfte erreichen und dementsprechend die Hauptlast der vom Rotor auf das Gehäuse des Abgasturboladers abgetragenen Radialkräfte übernehmen. Dies bringt den weiteren Vorteil mit sich, dass an den Axialenden des Rotors konstruktiv einfache Axiallager für die axiale Abstützung des Rotors vorgesehen werden können. Da die axialen Lagerkräfte vergleichsweise konstant sind, lässt sich auch bei den Axiallagern mit geringem Aufwand eine Gas- bzw. Luftlagerung verwirklichen.
Im Ergebnis kann somit der Rotor radial und axial berührungsfrei im Gehäuse des Abgasturboladers gelagert sein.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bilden Verdichterrad und Turbinenrad sowie Wellenkörper einen einteiligen, gebauten Rotorkörper, der zwischen seinen als Verdichterrad bzw. Turbinenrad ausgebildeten Stirnseiten eine den Wellenkörper bildende Einschnürung vergleichsweise geringer Tiefe aufweist.
Eine solche Form ergibt sich aus den weiter unten erläuterten bevorzugten Bereichen für bestimmte Geometriefaktoren des Rotors.
Im Übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der bevorzugte Merkmale der Erfindung sowie eine besonders bevorzugte Ausführungsform näher beschrieben werden.
Schutz wird nicht nur für ausdrücklich angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.
In der Zeichnung zeigt
1 ein schematisiertes Diagramm, welches die Abhängigkeit einer Schwingungsamplitude A vom Drehzahlverhältnis ω/ω_crit angibt, wobei ω_crit die kritische Drehzahl ist, bei der Eigenfrequenzen des Rotors bzw. Abgasturboladers angeregt werden;
2 eine schematisierte Darstellung eines Rotors, wobei verschiedene Durchmesser D und Längen L bildhaft definiert werden,
3 eine schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Rotors und
4 eine schematisierte Darstellung bevorzugter Ausführungsformen des Rotors.
Gemäß 1 möge ein Abgasturbolader einen Rotor aufweisen, der, beispielsweise aufgrund nicht exakt rotationssymmetrischer Massenverteilung, bei seinen Drehbewegungen Schwingungen mit einer Amplitude A erregt. Dabei sei davon ausgegangen, dass bei einer kritischen Drehzahl ω_crit Resonanzen auftreten. Dies bedeutet, dass die Schwingungsamplitude A nahe der genannten kritischen Drehzahl, das heißt wenn der Quotient aus der Ist-Drehzahl ω und der vorgenannten kritischen Drehzahl ω_crit den Wert 1 hat, extreme Werte erreicht.
Erfindungsgemäß können solche Resonanzeffekte durch eine besondere Geometrie des Rotors vermieden werden. Zur Definition verschiedener Geometriefaktoren wird auf die 2 verwiesen, in der ein schematisierter Axialschnitt eines Rotors dargestellt ist. Dieser Rotor umfasst in grundsätzlich bekannter Weise ein Verdichterrad 1 sowie ein Turbinenrad 2 und einen das Verdichterrad 1 sowie das Turbinenrad drehfest verbindenden Wellenkörper 3. Des Weiteren sind in 2 der maximale Durchmesser D_V des Verdichterrades 1, der maximale Durchmesser D_T des Turbinenrades 2 sowie der minimale Durchmesser D_W des Wellenkörpers 3 bildhaft definiert. Außerdem zeigt die 2 bildhafte Definitionen der axialen Länge ohne Nabenende L_V des Verdichterrades, der axialen Länge ohne Nabenende L_T des Turbinenrades. Schließlich ist noch die axiale Gesamtlänge L_ATL des Rotors 1, 2, 3 definiert durch die axiale Gesamtlänge zwischen seinen axialen Schaufelenden. Die axiale Länge L_W des Wellenkörpers 3 errechnet sich aus L_ATL – L_T – L_V. Mit den aus 2 hervorgehenden Größen lassen sich folgende dimensionslose Geometriefaktoren bilden:
Für den Wellenkörper: K_W = L_W/D_W
Für das Turbinenrad: K_T = L_T/D_T
Für das Verdichterrad: K_V = L_V/D_V
Für die Verdichterrad-Turbinenrad-Kombination: K_V-T = D_T/D_V
Für die Verdichterrad-Wellenkörper-Kombination: K_V-W = D_W/D_V
Für den Rotor: K_ATL = L_ATL/D_V
Bei Rotoren des Standes der Technik hat K_W Werte zwischen etwa 3 und 9, K_T Werte zwischen etwa 0,3 und 0,6, K_V Werte zwischen etwa 0,4 und 0,7, K_V-T Werte zwischen etwa 0,7 und 1,0 und K_V-W Werte zwischen etwa 0,1 und 0,2; K_ATL liegt beim Stand der Technik typischerweise zwischen etwa 1,8 und 2,5.
Die Erfindung lässt sich nun mit den obigen Geometriefaktoren dahingehend definieren dass K_V-W Werte zwischen etwa 0,4 und 1,0 und K_W Werte zwischen etwa 0,1 und 1,0 zugleich haben sollten, während alle übrigen Geometriefaktoren im vorgenannten Bereich des Standes der Technik liegen. Damit kann ein im Arbeitsbereich der Rotordrehzahlen resonanzfreier Rotor gewährleistet werden.
3 zeigt beispielhaft einen Axialschnitt eines solchen Rotors, wobei der Geometriefaktor K_V-W bei etwa 0,65 und der Geometriefaktor K_W bei etwa 0,21 liegt. Der Wellenkörper 3 gleicht dabei einem Scheibenrad, wobei das Verdichterrad 1 und das Turbinenrad 2 unmittelbar auf den Stirnseiten dieses Scheibenrades angeordnet sind.
4 zeigt weitere Ausführungsformen des Rotors. Dabei sind gemäß den Bildern A und B der 4 das Verdichterrad 1 und das Turbinenrad 2 an radial äußeren Bereichen ihrer einander zugewandten Stirnseiten unmittelbar miteinander zu einem kombinierten Verdichter- und Turbinenrad verbunden, d. h. die Verbindungszone 3' ersetzt die Welle 3 der Rotoren der 2 und 3. Außerdem zeigen die Bilder der 4, dass in dem kombinierten Verdichter- und Turbinenrad 1, 2 zur Gewichtsverminderung ein Hohlraum 12 ausgebildet sein kann, der gemäß Bild A der 4 mit einer Zentralbohrung 11 kommunizieren kann. Über diese Zentralbohrung 11 kann gegebenenfalls Kühlluft durch den Rotor 1, 2 geleitet werden. Bei Anordnung von dynamischen Luftlagern an den axialen Enden des Rotors 1, 2 kann die Zentralbohrung 11 auch zur Weiterleitung der einem Luftlager aktiv zugeführten Lagerluft zum anderen Luftlager genutzt werden.

Claims

Abgasturbolader mit einem ein Verdichterrad (1), ein Turbinenrad (2) sowie einen Wellenkörper (3) zwischen Verdichterrad und Turbinenrad umfassenden Rotor (1, 2, 3), welcher beim Betrieb des Abgasturboladers mit Drehzahlen innerhalb eines vorgegebenen Arbeitsbereiches bis zur Festigkeitsgrenze des Rotors rotiert, gekennzeichnet durch, eine Rotorgeometrie, bei der der Arbeitsbereich in einem unterkritischen Bereich der Drehzahlen liegt bzw. kritische Drehzahlen oberhalb und außerhalb des Arbeitsbereiches liegen.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenkörper (3) einen minimalen Durchmesser mit einem im Vergleich zum Durchmesser des Verdichter- oder Turbinenrades geringeren, jedoch gleiche Größenordnung aufweisenden Maß besitzt, wobei dieser Wellendurchmesser gleichzeitig der minimale Fügedurchmesser auf Turbinen- oder Verdichterseite ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (1) und das Turbinenrad (2) axial eng benachbart zueinander angeordnet sind.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für nachfolgend angegebene Geometriefaktoren etwa nachfolgend angegebenen Wertebereiche vorgesehen sind: 0,4 ≤ K_V-W ≤ 1,0 0,1 ≤ K_W ≤ 2,5 wobei K_W das Verhältnis L_W/D_W ist und L_W die axiale Länge des Wellenkörpers (3) und D_W den Durchmesser des Wellenkörpers (3) bezeichnen, und wobei K_V-W das Verhältnis D_W/D_V ist und D den Durchmesser des Verdichterrades (1) bezeichnet.
Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichterteil (1) und der Turbinenteil (2) an radial äußeren Bereichen ihrer einander zugewandten Stirnseiten miteinander zu einem kombinierten Verdichter- und Turbinenrad (1, 2) verbunden sind.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zentralbohrung (11) mit einem im kombinierten Verdichter- und Turbinenrad (1, 2) verbleibenden Hohlraum (12) verbunden ist.